CN114370812A - 一种y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置及方法,属于磁悬浮平面电机技术领域,其中,该装置包括:三组线性霍尔传感器组、Y型磁浮平面电机的定子和动子,其中,动子悬浮于定子上方的预设高度处,在定子上的三组励磁绕组线圈几何中心预设位置的下方设置三组线性霍尔传感器组,每组线性霍尔传感器组包含两个线性霍尔传感器,两个线性霍尔传感器的间距等同于动子中Halbach磁钢阵列中磁钢宽度,动子中每个Halbach磁钢阵列与其对应的线性霍尔传感器组相角相差90°。该装置结构简单,极大低降低了成本,且无需在电机动子上安装读数头、反射镜或铝板等附加装置,对平面电机的运动性能没有影响。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮平面电机技术领域,特别涉及一种Y型动磁式磁浮平面电机的动子平面三自由度位置测量装置及方法。
背景技术
磁悬浮平面电机在运行过程中需要实时测量当前动子位置以进行运动控制,这一测量过程包括传感器信号的采集和信号处理过程以及电机动子位置的解算过程,需要根据电机的运动性能指标选择合适的测量方法及测量装置。Y型磁浮平面电机具有运动范围小、结构和运动控制算法简单的特点,适用于磁浮运动平台的性能验证试验,其在一般应用场合中使用激光传感器或电涡流传感器等进行一个固定悬浮高度的闭环控制,在水平面上实现平动运动和小角度的中心旋转,因此选用的测量装置和测量方法需要实现平面内三自由度运动的实时位置测量。
因此,相关技术方案一公开了一种磁浮平面电机非接触六自由度定位装置及方法,该方法同时使用了激光干涉测量系统和电涡流传感器两种传感器,在磁浮平面电机的动子上建立笛卡尔坐标系,在所述的笛卡尔坐标系的X轴和Y轴方向上设置第一、第二两部激光干涉仪,在电机动子上设置与动子表面水平的反光镜和若干用于电涡流传感器测量的铝板。该方法将两种传感器的优势互补,但同时也引入了二者的不足,所使用的涡流传感器易受磁浮电机运行时产生的电磁场干扰,且激光干涉测量系统成本较高。相关技术方案二一公开了一种大面积磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法,该方法同时使用了绝对光栅和电涡流传感器,在X向和Y向设置了两个绝对光栅,在Y向设置了两个电涡流传感器,实现了大行程高精度动子位置测量,但是绝对光栅尺价格较高,且读数头需要安装在电机动子上,与电机动子具有直接接触,破坏了磁浮平面电机的动力学模型,另外同样也存在电涡流传感器的抗干扰性问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此,本发明的第一个目的在于提出一种Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置。
本发明的第二个目的在于提出一种Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法。
本发明的第三个目的在于提出一种基于Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置的运动控制系统。
为达到上述目的,本发明一方面实施例提出了Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置,包括:三组线性霍尔传感器组、Y型磁浮平面电机的定子和动子,其中,所述动子悬浮于所述定子上方的预设高度处,在所述定子上的三组励磁绕组线圈几何中心预设位置的下方设置所述三组线性霍尔传感器组,每组线性霍尔传感器组包含两个线性霍尔传感器。
本发明实施例的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置,在电机定子的励磁线圈下方设置了若干霍尔传感器,通过检测霍尔传感器上方由电机动子上磁钢阵列位置变化所引起的磁场分布变化对电机动子的位置进行测量,适用于Y型磁浮平面电机的动子所在水平面内的平动和旋转运动的测量,与采用光栅尺、激光干涉仪和电涡流传感器的测量方法相比,该装置结构简单,极大低降低了成本,且无需在电机动子上安装读数头、反射镜或铝板等附加装置,对平面电机的运动性能没有影响。
另外,根据本发明上述实施例的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置还可以具有以下附加的技术特征:
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述两个线性霍尔传感器的间距等同于所述动子中Halbach磁钢阵列中磁钢宽度。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述动子中每个Halbach磁钢阵列与其对应的线性霍尔传感器组相角相差90°。
为达到上述目的,本发明第二方面实施例提出了Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法,包括以下步骤:步骤S1,在所述Y型磁浮平面电机的定子中所有励磁线圈的下表面所在的平面建立平面直角坐标系,记为全局坐标系;步骤S2,将每一组位于所述Y型磁浮平面电机的动子上的Halbach磁钢阵列和定子中位于磁钢阵列下方对应位置的两个线性霍尔传感器作为一个测量单元;步骤S3,利用每个测量单元中的两个线性霍尔传感器获取三个输出电压;步骤S4,在每个测量单元内以磁钢阵列的下表面几何中心为原点建立平面直角坐标系,记为磁钢坐标系;步骤S5,分别对所述三个输出电压进行相除和反正切运算,再将反正切后的角度转化为三个位移测量数据,以构建状态模态;步骤S6,基于所述磁钢坐标系,确定所述全局坐标系下动子初始变化量与所述状态模态的映射关系,求解所述动子初始变化量。
本发明实施例的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法,在电机定子的励磁线圈下方设置了若干霍尔传感器,通过检测霍尔传感器上方由电机动子上磁钢阵列位置变化所引起的磁场分布变化对电机动子的位置进行测量,适用于Y型磁浮平面电机的动子所在水平面内的平动和旋转运动的测量,与采用光栅尺、激光干涉仪和电涡流传感器的测量方法相比,该装置结构简单,极大低降低了成本,且无需在电机动子上安装读数头、反射镜或铝板等附加装置,对平面电机的运动性能没有影响。
另外,根据本发明上述实施例的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法还可以具有以下附加的技术特征:
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述步骤S3中每个测量单元中两个线性霍尔传感器的输出电压的求解公式:
ua=U sin(θ)
ub=U cos(θ)
其中,ua、ub分别为每个测量单元中两正交霍尔传感器的输出电压,U为电机动子在指定高度的平面中平动运动过程中,相对于无电机动子的情况,所采用的线性霍尔传感器输出电压变化的最大值,θ为磁钢阵列相角。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述步骤S5的具体求解过程为:
其中,ua、ub分别为每个测量单元中两正交霍尔传感器的输出电压,θ为磁钢阵列相角,τn为磁钢阵列半极距,x为所述测量单元的输出。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述步骤S6中所述全局坐标系下动子初始变化量与所述状态模态的映射关系为:
其中,[α,x,y]为全局坐标系下动子初始变化量,[s1,s2,s3]为状态模态,xA、xB、xC、yA为全局坐标系下三个磁钢坐标系的原点坐标,τ为电机动子中使用的磁钢阵列的半极距,为任一测量单元中磁钢坐标系下的初始测量相位。
为达到上述目的,本发明第三方面实施例提出了基于Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置的运动控制系统,包括:Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置、信号采集卡、电流驱动器和上位机,其中,Y型磁浮平面电机的定子中所有励磁线圈与所述电流驱动器连接,所述Y型磁浮平面电机的定子中每组线性霍尔传感器组与所述信号采集卡连接,所述上位机分别与所述电流驱动器和所述信号采集卡连接。
本发明实施例的基于Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置的运动控制系统,在电机定子的励磁线圈下方设置了若干霍尔传感器,通过检测霍尔传感器上方由电机动子上磁钢阵列位置变化所引起的磁场分布变化对电机动子的位置进行测量,适用于Y型磁浮平面电机的动子所在水平面内的平动和旋转运动的测量,与采用光栅尺、激光干涉仪和电涡流传感器的测量方法相比,该装置结构简单,极大低降低了成本,且无需在电机动子上安装读数头、反射镜或铝板等附加装置,对平面电机的运动性能没有影响
另外,根据本发明上述实施例的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法还可以具有以下附加的技术特征:
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述信号采集卡包括模数转换器、FPGA和USB通信芯片。
进一步地,在本发明的一个实施例中,还包括:独立电源,用于为所述每组线性霍尔传感器组、所述信号采集卡以及所述电流驱动器供电。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是本发明一个实施例的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置的结构示意图;
图2是本发明一个实施例的Y型磁浮平面电机的定子主视图和左视图;
图3是本发明一个实施例的Y型磁浮平面电机的动子主视图和左视图;
图4是本发明一个实施例的基于Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置的运动控制系统的结构示意图;
图5是本发明一个实施例的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法的流程图;
图6是本发明一个实施例的磁钢坐标系的结构示意图。
附图标记说明:
10-Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置、100-三组线性霍尔传感器组、200-Y型磁浮平面电机的定子、300-Y型磁浮平面电机的动子、20-信号采集卡、30-电流驱动器和40-上位机。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置、方法以及运动控制系统,首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置。
图1是本发明一个实施例的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置的结构示意图。
如图1-3所示,该Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置10包括:三组线性霍尔传感器组100、Y型磁浮平面电机的定子200和动子300。
其中,动子300悬浮于定子200上方的预设高度处,在定子200上的三组励磁绕组线圈几何中心预设位置的下方设置三组线性霍尔传感器组100,每组线性霍尔传感器组包含两个线性霍尔传感器101,两个线性霍尔传感器101的间距等同于动子中Halbach磁钢阵列中磁钢宽度,动子300中每个Halbach磁钢阵列与其对应的线性霍尔传感器组100相角相差90°。
需要说明的是,本发明实施例服务的磁浮平面电机的运动性能以及选用磁钢阵列的尺寸设计参数决定了采集信号的频率,同时电机动子的悬浮高度以及线性霍尔传感器的安装位置决定了线性霍尔传感器接收到的磁场强度,二者共同计算出了磁场强度信号的摆率,选用的线性霍尔传感器的摆率须高于该值,且量程高于最大的磁场强度。本发明领域技术人员在此基础上选用分辨率合适且输出噪声更低的霍尔传感器能够使本发明实施例的实际测量性能最大程度地接近预设指标,在此不做具体限定。
进一步地,如图4所示,根据本发明实施例构建了一个运动控制系统,该系统中包括上述Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置10、信号采集卡20、电流驱动器30和上位机40,霍尔测量系统实验平台(即三自由度位置测量装置10)由A、B、C三组驱动单元组成,每组驱动单元包括三个部分:(1)位于定子200的一组两个励磁绕组线圈,(2)每组励磁绕组线圈下方有两个线性霍尔传感器,(3)位于动子绕组线圈上方的一个Halbach磁钢阵列,平面电机的工作气隙高度为16.0mm~19.0mm,因此动子未悬浮时,霍尔传感器101距离磁钢阵列表面的距离为16.0mm,同时为了方便的调节霍尔传感器101到动子300磁钢的距离,用不同厚度的对磁场分布无影响的环氧树脂块作为垫板调节高度。
两个霍尔传感器101的安装距离为10mm,且分布在单个磁钢长度中间的位置,设计霍尔传感器101安装电路板以减小霍尔传感器的安装误差,霍尔传感器101安装电路板的大小与放置线圈铝制框架一致,采用独立电源分别为霍尔传感器101、信号采集卡20以及电流驱动器30供电,设计由模数转换器、FPGA、USB通信芯片组成的信号采集卡20,采样频率为10KHz。六路霍尔传感器输出经过前置低通滤波电路由采集卡采样,并发送到运动控制上位机进行运算,运动控制上位机计算出各线圈绕组的驱动电流大小,将控制参数发送到电流驱动器对线圈进行激励,实现平面电机的三自由度运动控制。
根据本发明实施例提出的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置,在电机定子的励磁线圈下方设置了若干霍尔传感器,通过检测霍尔传感器上方由电机动子上磁钢阵列位置变化所引起的磁场分布变化对电机动子的位置进行测量,适用于Y型磁浮平面电机的动子所在水平面内的平动和旋转运动的测量,与采用光栅尺、激光干涉仪和电涡流传感器的测量方法相比,该装置结构简单,极大低降低了成本,且无需在电机动子上安装读数头、反射镜或铝板等附加装置,对平面电机的运动性能没有影响。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法的流程图。
如图5所示,该Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法包括以下步骤:
在步骤S1中,在Y型磁浮平面电机的定子中所有励磁线圈的下表面所在的平面建立平面直角坐标系,记为全局坐标系,如图1所示。
在步骤S2中,将每一组位于Y型磁浮平面电机的动子上的Halbach磁钢阵列和定子中位于磁钢阵列下方对应位置的两个线性霍尔传感器作为一个测量单元。
在步骤S3中,利用每个测量单元中的两个线性霍尔传感器获取三个输出电压。
进一步地,在本发明的一个实施例中,步骤S3中每个测量单元中两个线性霍尔传感器的输出电压的求解公式:
ua=U sin(θ)
ub=U cos(θ)
其中,ua、ub分别为每个测量单元中两正交霍尔传感器的输出电压,U为电机动子在指定高度的平面中平动运动过程中,相对于无电机动子的情况,所采用的线性霍尔传感器输出电压变化的最大值,θ为磁钢阵列相角。
在步骤S4中,在每个测量单元内以磁钢阵列的下表面几何中心为原点建立平面直角坐标系,记为磁钢坐标系,如图6所示。
在步骤S5中,分别对三个输出电压进行相除和反正切运算,再将反正切后的角度转化为三个位移测量数据,以构建状态模态。
进一步地,在本发明的一个实施例中,步骤S5的具体求解过程为:
其中,ua、ub分别为每个测量单元中两正交霍尔传感器的输出电压,θ为磁钢阵列相角,τn为磁钢阵列半极距,x为测量单元的输出。
具体地,本发明实施例的测量方法具体过程为:在电机定子中所有励磁线圈的下表面所在的平面建立平面直角坐标系,记为全局坐标系,定义一组位于电机动子上的Halbach磁钢阵列和电机定子中位于磁钢阵列下方对应位置的一组两个线性霍尔传感器为一个测量单元,在测量单元内以磁钢阵列的下表面的几何中心为原点建立平面直角坐标系,记为磁钢坐标系,这一坐标系内以磁钢作为参考,磁钢和传感器间的相对运动视为传感器的运动。将测量单元中的两个线性霍尔传感器获取的测量数据进行相除和反正切运算,再将反正切计算出的角度换算成位移测量数据,记为这个测量单元的输出x,其公式为:
式中,ua、ub分别为每个测量单元中两正交霍尔传感器的输出电压,θ为磁钢阵列相角,τn为磁钢阵列半极距,x为测量单元的输出。
需要说明的是,由于在每个磁钢坐标系下,在Halbach阵列Y方向的中心附近沿Y方向小范围移动对测量单元的输出的影响可以忽略,仅受X方向位移的影响,故全局坐标系下动子的运动矢量在每个测量单元的磁钢坐标系下沿X轴方向的投影即为该测量单元的输出。
在步骤S6中,基于磁钢坐标系,确定全局坐标系下动子初始变化量与状态模态的映射关系,求解动子初始变化量。
进一步地,本发明实施例步骤S6中全局坐标系下动子初始变化量与状态模态的映射关系为:
其中,[α,x,y]为全局坐标系下动子初始变化量,[s1,s2,s3]为状态模态,xA、xB、xC、yA为全局坐标系下三个磁钢坐标系的原点坐标,τ为电机动子中使用的磁钢阵列的半极距,在本发明实施例中等于磁钢宽度的2倍,为任一测量单元中磁钢坐标系下的初始测量相位,以上参数均为平面电机的几何尺寸相关的常数。
需要说明的是,测量精度由磁钢阵列的尺寸参数、位置安装精度和加工精度,霍尔传感器的位置安装精度和测量精度共同决定。理想的Halbach磁钢阵列上方沿磁钢排布的X方向运动时的Z向磁场强度的分布呈正弦形式,通过安装相角相差90°的两个霍尔传感器测量数据进行相除并反正切运算后能够得到准确的相位,并通过磁钢阵列的磁极距换算成位置值。但实际Halbach磁钢阵列的磁场表现为基波与多个高次谐波叠加的形式,并且伴随有安装误差以及磁钢充磁差异所引入的额外畸变,这些波形畸变可以用总谐波畸变率THD描述,由于每一个真实磁场数值和基波数值可以一一对应,因此本发明实施例可以在测量算法中对计算得出的相位值进行查表修正。
下面对本发明实施例提出的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法进一步说明。
组合六路霍尔传感器的数据对磁浮平台的X、Y方向平动和绕Z轴转角进行解耦,以电涡流传感器的位置测量量作为标准值,标定霍尔传感器解耦之后的位置测量值,试验结果表明,磁浮平台水平向平动的跟踪误差为3μm,绕Z轴转角的跟踪误差为10″,且霍尔传感器测位移分辨力为5μm,测姿态角分辨力为10″。
再以六路霍尔传感器解算的X、Y平动和Z轴姿态角作为PID控制器的反馈,建立伺服闭环系统,并测试该伺服系统的行程,实验结果显示X、Y平动行程为3mm,Z轴姿态角行程为0.5°。
由此可知,本发明中的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置在平动3mm,转角0.5°的行程范围之内,能够实现5μm的平动位移测量分辨力以及10″的转角测量分辨力。
需要说明的是,前述对Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置实施例的解释说明也适用于该实施例的测试方法,此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法,在电机定子的励磁线圈下方设置了若干霍尔传感器,通过检测霍尔传感器上方由电机动子上磁钢阵列位置变化所引起的磁场分布变化对电机动子的位置进行测量,适用于Y型磁浮平面电机的动子所在水平面内的平动和旋转运动的测量,与采用光栅尺、激光干涉仪和电涡流传感器的测量方法相比,该装置结构简单,极大低降低了成本,且无需在电机动子上安装读数头、反射镜或铝板等附加装置,对平面电机的运动性能没有影响。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置,其特征在于,包括:三组线性霍尔传感器组、Y型磁浮平面电机的定子和动子,其中,所述动子悬浮于所述定子上方的预设高度处,在所述定子上的三组励磁绕组线圈几何中心预设位置的下方设置所述三组线性霍尔传感器组,每组线性霍尔传感器组包含两个线性霍尔传感器。
2.根据权利要求1所述的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置,其特征在于,所述两个线性霍尔传感器的间距等同于所述动子中Halbach磁钢阵列中磁钢宽度。
3.根据权利要求1所述的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置,其特征在于,所述动子中每个Halbach磁钢阵列与其对应的线性霍尔传感器组相角相差90°。
4.一种Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法,其特征在于,基于上述权利要求1-3中任一项所述的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置,包括以下步骤:
步骤S1,在所述Y型磁浮平面电机的定子中所有励磁线圈的下表面所在的平面建立平面直角坐标系,记为全局坐标系;
步骤S2,将每一组位于所述Y型磁浮平面电机的动子上的Halbach磁钢阵列和定子中位于磁钢阵列下方对应位置的两个线性霍尔传感器作为一个测量单元;
步骤S3,利用每个测量单元中的两个线性霍尔传感器获取三个输出电压;
步骤S4,在每个测量单元内以磁钢阵列的下表面几何中心为原点建立平面直角坐标系,记为磁钢坐标系;
步骤S5,分别对所述三个输出电压进行相除和反正切运算,再将反正切后的角度转化为三个位移测量数据,以构建状态模态;
步骤S6,基于所述磁钢坐标系,确定所述全局坐标系下动子初始变化量与所述状态模态的映射关系,求解所述动子初始变化量。
5.根据权利要求4所述的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量方法,其特征在于,所述步骤S3中每个测量单元中两个线性霍尔传感器的输出电压的求解公式:
ua=U sin(θ)
ub=U cos(θ)
其中,ua、ub分别为每个测量单元中两正交霍尔传感器的输出电压,U为电机动子在指定高度的平面中平动运动过程中,相对于无电机动子的情况,所采用的线性霍尔传感器输出电压变化的最大值,θ为磁钢阵列相角。
8.一种基于Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置的运动控制系统,其特征在于,基于上述权利要求1-3中任一项所述的Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置,包括:Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置、信号采集卡、电流驱动器和上位机,其中,
Y型磁浮平面电机的定子中所有励磁线圈与所述电流驱动器连接,所述Y型磁浮平面电机的定子中每组线性霍尔传感器组与所述信号采集卡连接,所述上位机分别与所述电流驱动器和所述信号采集卡连接。
9.根据权利要求8所述的基于Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置的运动控制系统,其特征在于,所述信号采集卡包括模数转换器、FPGA和USB通信芯片。
10.根据权利要求8所述的基于Y型磁浮平面电机动子的三自由度位置测量装置的运动控制系统,其特征在于,还包括:
独立电源,用于为所述每组线性霍尔传感器组、所述信号采集卡以及所述电流驱动器供电。
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